在機(jī)械加工過程中，你可以通過自己選擇的刀具來制造出你所能制造出的細(xì)節(jié)特征。刀具的大小決定了零件的孔和槽的最小尺寸。在增材制造過程中，與關(guān)注刀具的大小類似的是我們需要關(guān)注激光光斑大小。激光點(diǎn)加熱金屬粉末，每個(gè)激光點(diǎn)創(chuàng)建了一個(gè)微型熔池，從粉末融化到冷卻成為固體結(jié)構(gòu)，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個(gè)微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結(jié)構(gòu)。

　　高質(zhì)量的制造要求的一致性，控制和可追溯性。動(dòng)態(tài)束聚焦提供從激光熔化開始到不同的溫度情況下嚴(yán)格的聚焦控制，使得選擇性激光熔化系統(tǒng)新的光學(xué)方案可以更一致的控制激光加工條件。

　　本期，一起來看動(dòng)態(tài)聚焦是怎么回事？一起來思考動(dòng)態(tài)變焦系統(tǒng)是否會(huì)催生SLM設(shè)備走向更大功率、更多激光頭？

　　小改變、大突破

　　激光熔化的基本知識(shí)

　　下面圖像顯示了激光能量加熱的粉末顆粒，以及熱量如何擴(kuò)散到鄰近的粉末。為了融化粉末，必須有充足的激光能量被轉(zhuǎn)移到材料中，以熔化中心區(qū)的粉末，從而創(chuàng)建完全致密的部分，但同時(shí)熱量的傳導(dǎo)超出了激光光斑周長(zhǎng)，影響到周圍的粉末。所以最小的制造尺寸一般比激光斑要大，超出激光點(diǎn)的燒結(jié)量取決于粉末的熱導(dǎo)率和激光的能量。

　　圖片：激光點(diǎn)和鄰近被加熱的材料

　　所擴(kuò)散的激光能量和熔池的激光掃描速度都是經(jīng)過精心調(diào)整和控制的，這樣才能達(dá)到一致的金屬合金的特性和層厚度。激光束的聚焦是熔化過程中影響合金性能的關(guān)鍵，要達(dá)到一致的過程就依賴于控制激光點(diǎn)大小，就需要使得激光能量密度和轉(zhuǎn)移到鄰近粉末的能量是一致的。

　　這樣就需要一個(gè)清晰聚焦的光束，任何聚焦的不集中都會(huì)導(dǎo)致能量傳達(dá)到熔化區(qū)以外的材料帶來不充分的粉末熔化，并可能導(dǎo)致的成品尺寸誤差和表面光潔度差。如果聚焦光斑尺寸大幅度增加，那么可能導(dǎo)致成品組件含大量不完全熔化粉末和難以控制的材料性能。

　　聚焦的挑戰(zhàn)

　　理想的激光束具有高斯強(qiáng)度分布，這樣，能量最激烈的位置是激光中心的光束，并向其邊緣降低能量分布。當(dāng)我們遠(yuǎn)離這個(gè)焦點(diǎn)，光束的橫截面面積的增加，達(dá)到兩倍的最小尺寸在一個(gè)距離的最小尺寸稱為瑞利長(zhǎng)度（在下圖中）：

　　圖片來自維基百科

　　在光學(xué)，特別是激光學(xué)中，我們?cè)O(shè)鞍腰部（如圖中所示的最低處）為A，其橫截面面積為a，沿光的傳播方向，當(dāng)橫截面面積因?yàn)樯⑸溥_(dá)到2a時(shí)，我們?cè)O(shè)此處為B，瑞利長(zhǎng)度或者瑞利射程正是指從A到B的長(zhǎng)度（即圖中所示ZR)。相關(guān)參數(shù)是共軛焦距，b，其長(zhǎng)度是兩倍的瑞利長(zhǎng)度。當(dāng)光波按高斯模型傳播的時(shí)候，瑞利長(zhǎng)度則顯得非常重要。在瑞利長(zhǎng)度處，光斑半徑增大為鞍部半徑的1.414倍，面積增加為鞍部光斑面積的2倍,這樣光的能量密度就大大降低了。

　　振鏡式激光定位和聚焦

　　大多數(shù)激光熔化系統(tǒng)使用電流計(jì)掃描振鏡(galvanometric scanner），這意味著對(duì)于遠(yuǎn)離熔池中心的位置，激光到達(dá)熔池的距離越遠(yuǎn)，而如何精確控制激光束焦距光束角的精確變化對(duì)于加工結(jié)果來說變得尤為重要。這樣做有兩種主要的方法：passive F-theta鏡頭系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)變焦系統(tǒng)。

　　圖片：galva振鏡

　　F-theta鏡頭使得實(shí)現(xiàn)高速加工成為可能，然而在高激光功率情況下，F(xiàn)-Theta鏡頭又面臨著一系列的局限性，包括為了避免在裝配過程中的雜散光，使用抗反射涂層，但這些可以導(dǎo)致在每個(gè)表面的入射功率高達(dá)0.3%的熱產(chǎn)生。隨著激光功率的增加，由于透鏡組件中的溫度變化會(huì)導(dǎo)致焦距的變化。而且多激光系統(tǒng)中通常需要更多的F-theta鏡頭，這也帶來了設(shè)備成本的上升和設(shè)備復(fù)雜性的問題。

　　動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)

　　動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)系統(tǒng)是通過在galva振鏡的上游激光光束線中放置更小的鏡頭，來調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)焦距的變化。其中雷尼紹的RenAM 500M配備了這樣的動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)。

　　動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)帶來近似拋物線的焦距變化所需要的聚焦糾正，并創(chuàng)造了重要的優(yōu)勢(shì)：

　?。咕嘧兓撬欧刂频?。

　　－可以刻意去聚焦激光來創(chuàng)建不同的處理效果。

　　－較少的光學(xué)元件和防反射涂層，動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)比F-theta鏡頭產(chǎn)生更少的不必要的熱量。

　?。瓘木劢顾欧答亖慝@得加工過程的可追溯性。

　?。瓌?dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，性價(jià)比高，更適合多激光系統(tǒng)設(shè)備。

　　當(dāng)然，動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)的安裝校準(zhǔn)是項(xiàng)技術(shù)活，聚焦鏡頭需要對(duì)準(zhǔn)光軸保證準(zhǔn)確聚焦，即便是小的對(duì)準(zhǔn)誤差都可以導(dǎo)致顯著的去聚焦，另外熱控制也是需要考慮的因素之一。